Kann sich auf vielfache Weise fortbewegen: Das Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments (RAVEN) der Schweizer Hochschule École polytechnique fédérale de Lausanne. (Bild: Alain Herzog CC BY SA)
"Wie die Krähe fliegt" ist ein weit verbreitetes Sprichwort, das sich auf die kürzeste Distanz zwischen zwei Punkten bezieht. Das Labor für intelligente Systeme (LIS) der EPFL School of Engineering unter der Leitung von Dario Floreano hat diese Redewendung mit RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) jetzt wörtlich genommen. Die multifunktionalen Roboterbeine der Drohne sind Vögeln wie Raben und Krähen nachempfunden, die häufig zwischen Luft und Land wechseln, und ermöglichen einen autonomen Start in Umgebungen, die für Drohnen mit Tragflächen bisher unerreichbar waren.
Warum Vögel noch immer ein Vorbild für die Luftfahrt sind
„Vögel waren die erste Inspiration für Flugzeuge, und die Gebrüder Wright haben diesen Traum wahr gemacht, aber selbst die heutigen Flugzeuge sind noch weit von dem entfernt, wozu Vögel fähig sind“, sagt der LIS-Doktorand Won Dong Shin. „Vögel können vom Gehen zum Laufen in die Luft und wieder zurückwechseln, ohne dass eine Landebahn oder eine Startrampe erforderlich ist. In der Robotik fehlt es noch an technischen Plattformen für diese Art von Bewegungen.“
Wie wurden die Roboterbeine von RAVEN entwickelt?
Das Design von RAVEN zielt darauf ab, die Vielfalt der Gangarten zu maximieren und gleichzeitig die Masse zu minimieren. Inspiriert von den Proportionen der Vogelbeine (und langen Beobachtungen von Krähen auf dem EPFL-Campus), entwarf Shin einen Satz maßgeschneiderter, multifunktionaler Vogelbeine für eine Starrflügler-Drohne. Er verwendete eine Kombination aus mathematischen Modellen, Computersimulationen und experimentellen Iterationen, um ein optimales Gleichgewicht zwischen der Komplexität der Beine und dem Gesamtgewicht der Drohne (0,62 kg) zu erreichen.
Welche Technologien stecken in den multifunktionalen Beinen?
Das daraus resultierende Bein hält schwerere Komponenten nahe am „Körper“, während eine Kombination aus Federn und Motoren die kräftigen Sehnen und Muskeln von Vögeln nachahmt. Leichte, von Vögeln inspirierte Füße, die aus zwei gelenkigen Strukturen bestehen, hebeln ein passives elastisches Gelenk aus, das verschiedene Haltungen beim Gehen, Hüpfen und Springen unterstützt.
„Die Umsetzung der Beine und Füße von Vögeln in ein leichtes Robotersystem stellte uns vor Design-, Integrations- und Steuerungsprobleme, die Vögel im Laufe der Evolution elegant gelöst haben“, sagt Floreano. „So konnten wir nicht nur die bisher multimodalste geflügelte Drohne entwickeln, sondern auch die energetische Effizienz von Sprüngen zum Abheben sowohl bei Vögeln als auch bei Drohnen aufklären. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.
Bisherige Laufroboter waren zu schwer, um zu springen, und für das Springen konzipierte Roboter hatten keine Füße, die zum Laufen geeignet waren. Das besondere Design von RAVEN ermöglicht es dem System, zu gehen, Gräben im Gelände zu überqueren und sogar auf eine 26 Zentimeter hohe Fläche zu springen. Wie das in der Realität aussieht, zeigt das folgende Video:
Die Wissenschaftler experimentierten auch mit verschiedenen Arten der Flugauslösung, einschließlich des Abhebens im Stehen und im Sturzflug, und fanden heraus, dass der Sprung in die Luft die kinetische Energie (Geschwindigkeit) und die potenzielle Energie (Höhengewinn) am effizientesten nutzt. "Diese Ergebnisse sind nur ein erster Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der Konstruktions- und Steuerungsprinzipien multimodaler Flugtiere und ihrer Umsetzung in wendige und energetisch effiziente Drohnen", so Prof. Dario Floreano, Leiter des Labors für Intelligente Systeme.
Wie erweitert RAVEN das Einsatzspektrum von Drohnen?
Die Ergebnisse liefern nun ein leichtes Design für Starrflügler-Drohnen, die sich in unwegsamem Gelände bewegen und ohne menschliches Eingreifen von begrenzten Orten starten können. Diese Fähigkeiten ermöglichen den Einsatz solcher Drohnen für Inspektionen, Katastrophenschutz und Lieferungen auf engem Raum. Das EPFL-Team arbeitet bereits an einer verbesserten Konstruktion und Steuerung der Beine, um die Landung in verschiedenen Umgebungen zu erleichtern.
„Die Flügel von Vögeln sind das Äquivalent zu den Vorderbeinen von Vierbeinern auf dem Land, aber über die Koordination von Beinen und Flügeln bei Vögeln ist wenig bekannt - von Drohnen ganz zu schweigen. Diese Ergebnisse sind nur ein erster Schritt zu einem besseren Verständnis der Konstruktions- und Kontrollprinzipien multimodaler Flugtiere und ihrer Umsetzung in wendige und energetisch effiziente Drohnen“, sagt Floreano.
